原创Yang G 抗菌科技圈
第一作者： Desheng Cai
通讯作者： Penglong Wang, Haimin Lei
通讯单位：北京中医药大学
研究速览
近期，北京中医药大学Haimin Lei团队在 ACS Applied Materials & Interfaces 上发表了有抗多药耐药金黄色葡萄球菌和抗炎能力的可注射无载体水凝胶敷料用于加速伤口愈合的研究工作。抗菌水凝胶逐渐成为治疗细菌感染和加速伤口愈合的有力*器武**。该研究设计了一种含有100%载药苄基3 β -氨基-11-氧-油酸-12-乙二胺-30-酸酯 (GN-Bn)的小分子自修复抗菌水凝胶。无载体的设计理念可以有效避免样品制备过程中的批间变异和载体相关毒性问题。此外，GN-Bn水凝胶对耐多药金黄色葡萄球菌(MRSA)表现出良好的抗菌活性，这是由于其独特的抗菌机制，即通过转录组(RNA-seq)分析和定量聚合酶链式反应(qPCR)分析，调节精氨酸的生物合成和代谢，杀死细菌或阻止细菌生长。此外，GN-Bn水凝胶还可以抑制促炎细胞因子(TNF- α 、IL-1 β 和IL-6)，促进伤口愈合。总的来说，GN-Bn水凝胶通过其抗菌和抗炎活性对MRSA感染的全层皮肤创面模型产生了双重治疗作用，这是因为GN-Bn水凝胶具有充分的机械稳定性、生物相容性和独特的抗菌机制等多重优势，使其作为创面敷料可显著加速MRSA感染的全层皮肤创面愈合。综上所述，抗炎抗菌双功能材料GN-Bn水凝胶敷料具有很大的临床应用潜力。
要点分析
要点一，设计了一种无载体抗菌水凝胶 ：利用遗传算法设计并合成了一种新型的甘草次酸衍生物(GN-Bn)无载体水凝胶，GN-Bn在π-π堆积、氢键和范德华力的作用下直接自组装成纳米纤维。无载体的设计理念可以有效避免样品制备过程中的批间变异和载体相关毒性问题，同时GN-Bn水凝胶具有优异的机械稳定性和良好的生物相容性。
要点二，该水凝胶具有良好的抗菌抗炎活性： GN-Bn水凝胶对耐多药金黄色葡萄球菌(MRSA)表现出良好的抗菌活性，最低抑菌浓度(MIC)为1.5625 nmol/ mL，低于诺氟沙星、青霉素、四环素等临床药物的抑菌浓度。GN-Bn水凝胶通过转录组(RNA-seq)分析和定量聚合酶链式反应(qPCR)分析，调节精氨酸的生物合成和代谢，杀死细菌或阻止细菌生长。此外，GN-Bn水凝胶还可以抑制促炎细胞因子(TNF- α 、IL-1 β 和IL-6)，促进伤口愈合。因此，GN-Bn水凝胶通过其抗菌和抗炎活性对MRSA感染的全层皮肤创面模型具有双重治疗作用。
图文导读
图1. GN-Bn水凝胶的特性。(A) GN-Bn水凝胶的FESEM图像;(B) GN-Bn水凝胶TEM图像;(C) GN-Bn水凝胶的稳定性;(D)温度引发GN-Bn水凝胶的可逆凝胶溶胶转变;(E)GN-Bn水凝胶的注入特性和形状适应性能;(F) GN-Bn水凝胶的体外释放谱。(H, I) GN-Bn水凝胶在不同温度下的环境响应性。(J) GN-Bn水凝胶应变依赖性振荡剪切流变学。(K) GN-Bn水凝胶在低应变(0.1%)和高应变(300%)三个循环下的步进应变测量。(L) GN-Bn水凝胶在0.1%应变下的动态角频率扫描。(M) GN-Bn水凝胶的动态时间扫描，应变为0.1%，频率为10 rad s-1。(N) GN-Bn水凝胶在角频率0.1 ~ 100 (rad/s)范围内的剪切粘度。(O) GN-Bn水凝胶在0.01 ~ 100 (1/s)剪切速率下的剪切粘度。(P)测定不同时间GN-Bn水凝胶的接触角。
图2. GN-Bn水凝胶的自组装机理。(A) GN-Bn水凝胶的紫外可见光谱;(B) GN-Bn水凝胶的傅里叶变换红外光谱;(C) GN-Bn和GN-Bn水凝胶的x射线衍射光谱;(D) GN-Bn和GN-Bn水凝胶的圆二色光谱; (E) GN-Bn和GN-Bn水凝胶在DMSO-d6溶液中的400MHz 1H NMR谱;(F) GN-Bn水凝胶的自组装示意图。
图3. GN-Bn水凝胶对MRSA的抗菌活性及其作用机理。(A) GN-Bn水凝胶、GN-Bn、诺氟沙星、青霉素和四环素的抑制率。(B)所有样本用1.5625 nmol/mL处理的琼脂板照片。(C)未使用GN-Bn水凝胶或使用GN-Bn水凝胶处理MRSA的FESEM和TEM图像。(D) qPCR检测argG、argF、arcA、arcB、arcC1 mRNA的表达。(E)绿色和红色分别表示下调和上调的基因。(F) GN-Bn水凝胶与对照的KEGG统计。
图4. GN-Bn水凝胶的体内外生物安全性评价。(A)灌胃GN-Bn水凝胶和生理盐水后主要器官的H&E染*图色**像。 (B)皮肤涂抹生理盐水和GN-Bn水凝胶后H&E和Masson三色染色的组织学分析。 (C) HFF-1细胞与不同浓度GN-Bn水凝胶孵育的细胞活力。(D) GN-Bn水凝胶的溶血活性。(E)对照和GN-Bn水凝胶处理过的斑马鱼幼体照片。
图5. GN-Bn水凝胶治疗MRSA感染的全层皮肤伤口。(A)使用一个8毫米的活组织穿孔机在背部区域制造4个对称的伤口，建立MRSA感染的全层皮肤伤口模型。(B)接种MRSA后全层创面的细菌。(C) GN-Bn水凝胶作为创面敷料的示意图。(D)第0天、第4天、第8天、第12天和第16天伤口愈合过程中的代表性图片。(E)不同时间伤口愈合率的量化。
图6. 闭合创面组织的组织学观察及免疫组化染色。(A)伤口组织的H&E和Masson三色。(B)皮肤厚度。(C)胶原纤维区。(D) TNF-α、IL-1β、IL-6免疫组化染色。(E)定量分析各组TNF-α、IL-1β、IL-6的相对覆盖面积。
图7. RNA测序显示GN-Bn水凝胶可减轻炎症，加速伤口愈合。(A)三组的层次聚类分析。(B)系统富集分析。(C)丰富了生物过程的基因本体论。(D)目标代谢途径网络模型。(E) GN-Bn水凝胶抑制炎症机制分析。
结论
为应对细菌感染问题，该论文设计了一种天然五环三萜自抗菌纳米纤维水凝胶(GN-Bn)。
1、GN-Bn在π-π堆积、氢键和范德华力的作用下直接自组装成纳米纤维，该水凝胶具有新颖的抗菌机制和多种自组装化学机制，同时具有良好的生物相容性。
2、GN-Bn水凝胶作为治疗MRSA感染的全层皮肤伤口的创面敷料，使用简单方便，可完全封闭伤口，加速伤口愈合。此外，水凝胶不仅能直接杀灭细菌，还能抑制伤口炎症，有效避免了细菌感染引起的组织损伤。
全文链接： https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c15463
参考文献： Desheng Cai, Yuqin Yang, Jihui Lu, Zhihua Yuan, Yaozhi Zhang, Xiaoyun Yang, Xuemei Huang, Tong Li, Xuehao Tian, Bing Xu, Penglong Wang,* and Haimin Lei* Injectable Carrier-Free Hydrogel Dressing with Anti-Multidrug-Resistant Staphylococcus aureus and Anti-Inflammatory Capabilities for Accelerated Wound Healing. ACS Applied Materials & Interfaces 2022, DOI: 10.1021/acsami.2c15463.
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